混凝土桥桥面系构造缺陷与防水系统

1、混凝土桥桥面系构造缺陷与防水系摘要 本文论述了桥面水对混凝土 桥梁的危害， 论证了设置桥面防水系统的重 要性，进而论述了桥面系构造必须注意的要 点，并介绍局部桥梁防水实用技术及施工方 法。关键词路桥结构 事故处理 结构防水 一、桥梁防水系统缺陷引起的病害 建 造公路和城市道路， 尤其是高速公路和城市 快速道路，动辄几亿、十几亿元的投资，其 中桥梁占总造价的10%30%左右，要求设 计使用年限比拟长， 至少要满足 50 年以上， 有些长达 100 年以上。 因此桥梁的平安性和 耐久性是非常重要的。天津市的桥梁，防水问题一直没有得到足够的重视， 很多人 过去有一个错误的观点， 认为混凝土本身不 怕

2、水，钢筋混凝土结构的桥梁无须作防水， 因此，对桥面系的构造设计不太讲究，甚至 很粗糙。 恰恰就因为桥面系构造的设计缺陷 及没有完善的防水系统，引起了很多病害， 再由于交通量的增长和超载交通的影响， 使 桥梁过早地遭到破坏，成为危桥。 自 1995 年以来，天津市每年都发生桥面突然塌 陷，甚至出现空洞的严重病害，由于巡查及 时，才没有发生重大事故，但是也造成了很 大的损失。津国公路菜园桥，由于渗水致使 桥梁混凝土腐蚀酥松、脱落，钢筋与混凝土 高骨，造成该桥报废重建。宝卢公路上水渠 桥，北围堤路马场减河桥等，都发现板梁底 部混凝土大面积脱落，钢筋裸露。外环线张 贵庄铁路高架桥、津榆公路一号桥，由于

3、桥 面积水、渗水，致使 T 梁翼板混凝土酥松， 在车轮作用了突然出现了 2m2以上的空洞， 经检查所有边梁翼板都有同样病害。 同时边 梁腹板外侧也都有明显的混凝土腐蚀膨胀， 钢筋锈蚀的现象。以上病害的发生，除了超 载因素外， 桥面系构造的不合理和没有桥面 防水层是主要原因， 另一方面桥面水泥混凝 土铺装太薄和镇缝处的混凝土的质量不高， 很容易遭到水的损害。 首先在铰缝处形成裂 缝，造成单梁受力，水由铺装层向下渗漏， 从铰缝流到梁板，对混凝土产生腐蚀，削弱 了梁板的承载能力，最后造成桥梁的破坏。 过去采用的伸缩缝形式根本上都是漏水的， 由伸缩缝处渗漏下的水往往流到梁端， 再流 到帽梁， 对梁端和

4、帽梁顶部混凝土产生严重 的腐蚀， 这一现象几乎在每一座桥上都可以 见到，八里台立交桥、解放南路立交等就是 最明显的例证。京福公路东州大桥在 1999 年 6 月 27 日北起第十墩 T 型帽梁翼板南侧 西部突然断裂，主要原因就是水从伸缩缝处 流到帽梁上， 腐蚀了上部混凝土和钢筋造成 的。 从对公路桥梁病害调查结果来看， 桥面的损坏占的比例最大， 其次是边梁外侧。 梁端和帽梁。 下部结构那么墩台水位浮动处损 害最多。 由于边梁处栏杆和人行道设 计没有考虑到雨水的影响， 致使含有桥面污 物的雨水乱流，先是污染边梁，影响美观， 继而腐蚀混凝土，仔细观察，到处可见这样 的痕迹。 边梁外侧首先遭到破坏就

5、是桥面雨 水腐蚀造成的。附图为水腐蚀对混凝土梁造 成的破坏情况。 雨水孔的设计往往考 虑欠佳， 由于没有重视雨水孔的安装形式和 质量， 致使收水口周围和孔下梁板混凝土受 到严重的腐蚀。 桥梁墩柱等下部结构 由于受到水的侵害，也必然产生损害，在水 位上下浮动的部位更是严重。 京津塘高速公 路龙风新河桥在 1997 年就发现了墩柱被严 重腐蚀的病害，混凝土被腐蚀厚度达 10cm 以上，如不及时修复，后果不堪设想。 引起桥梁破坏的原因很多，如荷载、材料质 量、施工质量、突发事件等等，但桥面防水 系统没有到达使用要求， 以至造成桥梁的破 坏，是极其重要的原因之一，其后果将是灾 难性的。二、桥梁防水系统

6、缺陷对桥梁损害 的机理分析 一般来说，水泥混凝土材 料是耐水材料，在潮湿环境或水中能保持强 度和稳定性， 潮湿条件也是水泥混凝土材料 早期强度形成和开展不可缺少的条件。 但是 长期处于潮湿条件下， 尤其在于湿交替循环 状态下， 混凝土的耐久性问题是不容乐观的。 很多桥梁墩台，在水位浮动的部位首先被破 坏就是证明。 京津塘高速公路龙风新河桥墩 柱的被腐蚀就是典型的例证。 空气中的水和雨水是一种成分很复杂的液体，再混入桥面 的污物，常含有溶解的气体、矿物质和有机 质等，常见的有酸性物质、氧离了、氯离子、 氮、碳酸气、硫化氢及其他酸性离子，以及 碱金属和碱土金属离子，这些酸、碱物质超 过一定限度时，

7、会侵蚀、损害桥梁的混凝土 和金属材料。水泥混凝土在塑性期或硬化初期会因为水分蒸发造成塑性开裂。一般而言，桥面混凝土厚度小，和空气的接触 面积大，产生塑性开裂的几率也大。加强桥 面混凝土施工中的质量管理和早期养护可 以减少开裂，但难以完全消除。在以后的使 用过程中，早期产生的裂缝会随着车辆反复 荷载的冲击下逐渐扩展。 如果没有完善的防 水系统，带有腐蚀性物质的水就会渗入到混 凝土中和从裂缝中流入到混凝土中去。产生碱一骨料反响以及酸碱性物质对混凝土进 行腐蚀的反响。混凝土碱一骨料反响是指来自水泥沙卜口剂和环境中的碱金属 离子与砂石等紧料中的活性组分发生化学 反响，在水泥砂浆与石子的界面处生成白色

8、凝胶物质，这种物质在潮湿环境中吸水膨胀， 从而造成混凝土结构从内部开始的涨裂， 甚 至破坏。这种病害称为混凝土的 癌症 。碱 一骨料反响少那么几年， 多那么十几年就可以使 混凝土结构丧失平安性。 这种破坏具有不断 开展和不可修复性。 具体表现为混凝土外表 龟裂、突出、酥松，然后剥离。碱 - 骨料反 应的发生和对混凝土的破坏需要三个条件： 混凝土中的高碱性、 碎石中的富含碱活性成 分以及水。 以前所用的水泥及外加剂均为高 碱性，天津地区砂石资源含有不同程度的碱 活性成分，桥梁又没有完善的防水系统，完 全具备了碱一骨料反响的必要条件， 所以很 多桥梁都发生这种现象。 天津地区处 在沿海地带， 空气

9、中和雨水中都含有一定的 氯盐成分，尤其在近海地区浓度更大。又因 为在冬季为消除桥面的冰冻和积雪而广泛 地应用喷洒盐水的方法， 盐水通过不防水的 伸缩缝流向墩台， 通过不防水的桥面系渗入 到混凝土的缝隙里， 不光引起碱 - 骨料反响， 而且引起盐腐蚀，加速了反响。 天津 为寒冷地区，有较长的冰冻期，渗入到混凝 土中的水结冰、融化，反复进行，对混凝土的裂缝不断扩大， 对结构进行漫性破坏作用。 冰融的结果，加剧了碱 - 骨料反响和盐腐蚀 的破坏作用。碱 - 骨料反响，盐腐蚀、冻融作用是混凝土结构的三大主要破坏因 素，都是因为水进入混凝土结构里面引起的。 预制梁桥的饺缝处是受力复杂、 混凝土最薄 弱的

10、部位，最容易受到侵蚀，尤其近年来， 超重交通的形成，过载车辆的增多，过早地 造成铰缝部位的裂缝， 桥面雨水通过裂缝进 一步腐蚀混凝土和钢筋，形成单梁受力，降 低承载能力直至破坏。对于碱 - 骨料反应，盐的腐蚀、冰融作用应以防止和抑制为 主。减少混凝土中的碱含量是解决的方法之 一，使用低碱水泥、 低碱外加剂， 可以减缓， 但解决不了全部问题。无论碱 - 骨料反响、 盐腐蚀，还是冻融作用，只要是没有水，就 可以减缓或防止， 所以必须设置完善的防水 系统，将混凝土与水隔离开来，使其不具备 发生反响的条件， 就将到达延长桥梁使用寿 命的要求。 三、桥梁防水系统的设计 桥梁防水系统的设计， 就是设法将水

11、与混凝 土隔离，使水不能进入混凝土本体，尤其不能进入裂缝中去。系统包括以下几方面。 1混凝土本身的自防水混凝土经常接触水的部位都要设计为防水混凝土， 保证本 身的密实性和防腐蚀的性能。 尤其是桥面和 下部结构水位浮动的部位。 在混凝土中参加 粉煤灰或超细粉等可以减少水泥带入的碱 量，加太钢纤维深丙烯纤维可以对膨胀、开 裂起到阻裂作用，并具有很好的抗渗能力， 到达自防水的根本要求。 桥面水泥混凝土的 平均厚度不能小于10cm最薄处厚度不能小 于8cm而且混凝土本身的配比设计以及浇 筑质量是最重要的。 桥面钢筋网钢筋直径不 宜小于10mn，间距不能大于150mm很多桥 梁不到十年甚至两三年就破坏，

12、 设计桥面铺 装的不尽合理和施工质量存在缺陷是主要 原因之一。 2 桥面防水涂层 无论桥 面混凝土施工质量如何好， 均不能完全保证 不开裂。 所以桥面水泥混凝土铺装层上面必 须设置防水层。防水层不但本身要起到防水 作用， 而且要求其与水泥混凝土和沥青混凝 土都有很好的亲和性，附着力好。下面能牢 固地与水泥混凝土外表粘结， 上面与沥青混 和料牢固地粘结。 否那么就成为一个层问抗剪 力很低的夹层，将导致桥面沥青混凝土出现 拥包、滑移，直至松散、破坏。 3 伸缩缝 的防水 天津市采用了很多种桥梁伸缩 缝，只有在叨年代初采用的毛勒伸缩缝不漏 水，近几年改进后的仿毛勒伸缩缝也根本不 漏水，其他均漏水。所

13、以以前修建的桥，伸 缩缓下面的梁端和帽梁受水损害最严重。 由 于伸缩缝的形式及安装质量问题， 造成该部 位最容易损坏。 除了毛勒缝、 仿毛勒缝之外， 对伸缩量小于 5cm 的小变位伸缩缝， 采用聚 合物改性沥青弹塑体填充式伸缩缝， 也能成 功地解决伸缩缝漏水的难题。 4 桥面雨水 孔与水落管 桥面雨水孔与水落管的设 置应该像屋面一样的严格， 但是无论设计还 是施工，都容易忽略。常见的问题主要表现 在下面几点： 收水口小， 不能及时将水泄走； 收水口标高高于周围标高，造成积水；收水 口高出水泥混凝土外表， 而且周围混凝土不 密实，造成管周围漏水；出水管过短，发生 尿檐现象。 从而导致收水口周围以

14、及边梁外 侧混凝土的破坏。 5 栏杆外测与人行道的构造 栏杆外侧应设计为光滑的外表， 底面设有止水槽， 雨水能很快地顺外侧流向 地面，而不应再流向边梁。设有人行道的桥 梁，人行道的防水也不能无视，防止雨水渗 流到主梁。但有些设计忽略了这一点，雨水 从人行道缝隙渗漏，沿外侧漫流，从而造成 边梁翼板及外侧的污染和腐蚀， 所以边梁外 侧首先破坏。 6 梁端和帽梁的防水由于伸缩缝很难保证完全不漏水， 而伸缩缝的 漏水对梁端和帽梁的损害又非常严重， 所以， 对梁端和帽梁顶部也要进行防水处理。四、桥面铺装防水的主要方注 目 前国内尚缺乏系列化的专用桥面防水材料， 更没有严格规定评定桥面防水材料性能的 技术

15、标准和方法。因此，优选、确定防水材 料显得尤其重要。天津地区市政、公路工程 中的桥梁也一直没有定型。一是价格太高， 二是与沥青混和料的亲和性太差。 直到 1998 年初金刚桥和宁车沽等桥面损坏才引起重 视，重新研究引用经济实用的防水材料，在 唐津高速和疏港公路等桥上应用。 1 天津 使用过的几种防水材料的性能： 聚氨 酯弹性防水涂料。 以聚氨脂为主体配合其他 材料，有甲、乙两种组合而成，固化后形成 富有弹性的橡胶状防水层。 其优点： 耐高温、 本身防水性能好，耐老化性能好；缺点：对 基层枯燥度要求高、 与沥青混和料的亲和性 差，易出现层间别离，使沥青铺装脱落，而 且造价高。 无论从效果方面还是

16、本钱方面都 不可取。 环氧胶乳防水涂料。为环氧 树脂乳液和氯丁胶乳的混和体。优点：与水 泥混凝土的亲和性好， 有延展性， 造价适中。 缺点：与沥青混和料的亲和性差，易出现沥 青混凝土的拥包、脱落。因为其半透明老 L 白色，可以用作边梁外侧的涂层以及下部结 构的防水涂层。 阳离子氯丁胶乳沥青 防水涂料。主要成分为氯丁胶乳、石油沥青 和水以及配套材料。 对基层的枯燥度要求低， 能适应气温较低季节施工， 雨季施工必须在 施工后 10h 之内无雨，否那么应补涂。目前这 种材料耐高温性能稍差， 对水泥混凝土面层 的附着力不够稳定，而且完全人工操作，占 用工期时间较长。 聚合物沥青桥面防 水涂料。该产品以

17、复合离子型乳化沥青、橡胶、树脂改性剂为主要原料构成的单组分水 乳型防水涂料。其特点：与水泥混凝土及沥 青混合料外表粘结均非常牢固，耐上下温， 160C高温不流淌，不起泡、不滑动，20 C 不开裂，在热沥青混合料摊铺后，可以软化 与其粘结，粘结强度高，耐久性能好，冷施 工、使 ?quot; 高速喷雾机 机械喷涂、操作 平安简便、 施工速度快， 成膜时间快， lh 可 以表干， 12h 后可以进行铺筑沥青混凝土， 最能适应快速施工， 价格比其他品种部廉价。 PC橡胶防水卷材防水层。该产品可以做成 lmm以下薄膜，用本身液体涂料粘结到基面 上。具有较好的粘结强度，即可以自粘又能 与混凝土外表进行粘结

18、， 还能与沥青混合科 牢固地粘结。其低温性能尤其好，在一 40C 温度下1h绕 10mm金属丝对折无裂纹。 施 工速度快， lh 以后即可放行。 目前此种材料 还没有大量地使用， 积累资料不多。其他还有很多种防水涂料，目前应用不多，不 再赘述。 2 防水涂料的施工要点涂料对水泥混凝土铺装要求必须到达强度指 标，牢固。密实，任何防水材料都必须涂在合格的基层上，外表必须平整、粗糙，不能 有钢筋等锋利突出物， 并且无垃圾、 元浮灰、 无松散、无浆皮、无污染，乳液类型的涂料， 可以用水冲洗后施工，外表根本枯燥、无积 水就可， 湿度大的部位可用强力吹风机或空 气压缩机吹于。 防水涂料本身的性能 是关键，

19、 必须保证在沥青混和料和水泥混凝 土之间起到牢固的粘结作用， 材料本身必须 满足在160C高温下不流淌的要求。所以必 须选择优质的防水材料。 乳液性质的 防水涂料，高温天气应避开中午施工，以防 止形成气泡， 一旦形成气泡， 立即进行处理， 赶平后不影响粘结力。收水口部位及阴阳角处应作特殊处理。在防水层没完全干透之前，禁止行火车辆通行。在摊铺 沥青混和料时，应及时检查被损坏的部位并 立即修补。 3 桥面防水涂层的质量要求及 控制 涂料的根本要求是 牢、薄、透、 匀 。防水层不但本身能防水，还要有延展 性，当基面产生微小裂缝后防水层不被拉裂， 而且必须与上下基面牢固地粘结， 在车辆荷 载作用下不产

20、生滑移现象。 所以必须非常均匀地施作一薄层，总厚不宜超过 lmm。 对防水材料必须进行检验。 每一批量都应抽 检，重点抽检其耐热性以及粘和性，必须满 足160 C不流淌的条件。还应进行外观检验， 发现异常立即停止使用。对基面应进行严格地检查验收， 不允许有任何不合格的 地方。施作时应及时检查有无空鼓汽泡、脱落、翘边等现象，以便及时处理。 在摊铺沥青混和料时， 应随时检查有无损坏 的地方，及时进行修补。沥青混凝土施工完成冷却后，可作行走刹车实验，桥面 铺装层应无脱粘起翘现象。重点检查伸缩缝、收水口部位的质量。 五、伸缩缝 部位的防水 桥梁防水的另一个重要部 位是桥梁伸缩缝，必须到达牢固、延年、防

21、 水的要求。梁端的破坏，帽梁的破坏，主要 原因就是伸缩缝漏水造成的， 所以必须把伸 缩缝的防水设计和安装质量当作非常重要 的问题对待。为了处理好桥梁的伸缩缝，世界各国的专家们煞费苦心地在研究各 种伸缩装置， 尽管伸缩缝装置在桥梁总造价 中占很少一局部， 但损坏以后造成的后果是 严重的。 天津市的桥梁伸缩缝也是经过很多 专家不断研究改进，大至有以下几种：软质 木板浸沥青配以沥青马蹄脂伸缩缝， 钢板伸 缩缝，梳型钢板伸缩缝，橡胶条伸缩缝，橡 胶板伸缩缝，进口毛勒伸缩缝，国产仿毛肋 伸缩缝等。从调查情况看来，只有进口毛勒 伸缩缝，经过近十年的使用没有明显损坏， 能到达防水作用， 近几年改进以后的仿毛

22、勒 伸缩缝质量也根本到达了这一要求以外， 其 他种类都不理想：一是不延年，两三年后， 安装质量不好的当年就发生问题； 二是不防 水，不但造成桥面铺装的损坏，而且造成梁 端和帽梁的损坏。 仿毛勒伸缩缝主要 是由异型钢梁、位移控制系统、橡胶止水带 组成。其特点是受力平安，位移均匀，伸缩 自由，行车平稳，防水性能好。 但造价较高， 维修施工工艺较为复杂，养护时间长。该装 置关键是安装质量， 与主体结构的铆固必须 牢固，锚固混凝土的质量要高，橡胶止水带 的本身质量和镶嵌质量都必须保证。 目前引进推广的弹塑体系无缝式伸缩缝对 伸缩量小于 scm 的缝使用效果很好， 造价低 廉，仅是仿毛勒缝的一半左右，行车舒适， 又能很好地解决防水问题。 尤其是在旧桥改 造时，对缝的更换非常方便，可以在不完全 断交的情况下， 5 小时左右即可完成。弹塑 体伸缩装置是通过弹塑体混合材料自身特 殊的力学性能来适应桥梁伸缩变形。 在承受 瞬时荷载和高频震动时显示弹性， 在低频缓 力的作用下显示塑性。 弹塑体材料是以聚合 物改性沥青为主的混合材料。 关键是采用优 质的弹塑体材料， 材料本身的配方是保证质 量的关键，再就是采用的工艺质量水平。 弹塑体材料本身的耐老化性能大大高于普 通沥青混凝土，当桥面沥青铺装层进行维